《iScience》：Butyrate ameliorates doxorubicin-induced heart failure by inhibiting cardiomyocyte ferroptosis through the gut-heart axis
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本研究针对阿霉素（DOX）化疗引发心力衰竭（DIHF）这一临床难题，揭示了肠道菌群代谢产物丁酸盐的关键保护作用。研究人员通过构建DIHF易感性大鼠模型，结合多组学分析，发现丁酸盐可通过增强肠道及心脏屏障功能，减少菌群易位，并调控心脏局部菌群功能，最终通过GPX4/GSH通路抑制DOX诱导的心肌细胞铁死亡。该研究为靶向肠道菌群的DIHF防治策略提供了新的理论依据和转化潜力。
癌症化疗如同一把双刃剑，在杀灭肿瘤细胞的同时，也可能对心脏造成严重损伤。阿霉素（Doxorubicin, DOX）作为一种高效广谱的化疗药物，其临床应用却因剂量依赖性的心脏毒性而受到限制，阿霉素诱导的心力衰竭（Doxorubicin-induced heart failure, DIHF）已成为肿瘤治疗领域一个严峻的挑战。传统观点多聚焦于DOX对心肌细胞的直接毒性作用，然而近年来，越来越多的证据表明，肠道菌群失调（Gut microbial dysbiosis, GMD）在心血管疾病的发生发展中扮演着重要角色，形成了复杂的"肠-心轴"（gut-heart axis）调控网络。那么，化疗药物是否通过扰乱肠道菌群微环境，间接加剧了心脏损伤？肠道菌群及其代谢产物能否成为干预DIHF的新靶点？这些问题亟待深入探索。
在此背景下，一篇发表于《iScience》的研究论文《Butyrate ameliorates doxorubicin-induced heart failure by inhibiting cardiomyocyte ferroptosis through the gut-heart axis》为我们带来了新的见解。该研究创新性地发现，肠道菌群代谢产生的短链脂肪酸——丁酸盐（Butyrate），能够通过肠-心轴通讯，抑制心肌细胞的一种新型程序性死亡方式——铁死亡（ferroptosis），从而有效缓解DOX引起的心功能不全。这一发现不仅深化了对DIHF发病机制的认识，也为开发基于菌群干预的心脏保护策略提供了重要科学依据。
为了揭示DIHF与肠道菌群的内在联系，研究人员综合运用了多种关键技术。他们首先建立了大鼠DIHF模型，并通过超声心动图精准评估心功能变化，据此区分出DIHF高易感（DIHF-HS）和低易感（DIHF-LS）个体。研究团队采用了16S rRNA基因测序（V3-V4区）和5R 16S rRNA测序（靶向V2/V3/V5/V6/V8区）分别对粪便和心脏组织中的菌群组成进行深入解析。同时，利用非靶向代谢组学（LC-MS）技术对粪便和血清中的代谢物谱进行了全面分析。在机制探索层面，研究借助荧光原位杂交（FISH）技术首次直观证实了DOX处理后心脏组织中存在菌群易位，并通过免疫荧光、Western blot、qRT-PCR等手段检测了肠道及心脏屏障功能相关蛋白（如ZO-1, Claudin-1, Connexin-43）、铁死亡关键蛋白GPX4以及炎症因子等的表达变化。此外，细胞水平实验（使用H9C2大鼠心肌细胞和AC16人心肌细胞）验证了丁酸盐对DOX或铁死亡诱导剂Erastin所致细胞毒性的保护作用。
结果
1. 肠道菌群在调节阿霉素诱导的心力衰竭中起关键作用
研究人员通过分笼饲养诱导大鼠个体间肠道菌群差异，随后建立DIHF模型。他们发现，即使接受相同剂量的DOX，大鼠对DIHF的易感性也存在显著差异，可分为DIHF高易感（DIHF-HS，LVEF下降>30%）和低易感（DIHF-LS，LVEF下降<20%）两组。肠道菌群分析显示，DIHF-HS大鼠的肠道菌群α多样性显著降低，菌群失调指数（MDI）升高。线性判别分析（LEfSe）表明，DIHF-LS组中富含Lachnospiraceae科等丁酸盐产生菌。更重要的是，通过荧光原位杂交（FISH）技术，研究首次在DOX处理的心脏组织中检测到细菌信号（EUB338探针），且DIHF-HS组心脏内的细菌数量显著高于DIHF-LS组，并与LVEF下降率呈正相关。粪便菌群移植（FMT）实验进一步证实，移植DIHF-LS大鼠菌群的受体大鼠，其心功能受损程度显著轻于移植DIHF-HS菌群的受体。这些结果明确了肠道菌群在DIHF发生发展中的关键调控作用。
2. DIHF-HS大鼠丁酸盐产生菌和丁酸盐水平显著降低，脂质代谢紊乱
多组学分析揭示了DIHF易感性与菌群代谢功能的密切联系。非靶向代谢组学显示，DIHF-HS组粪便中丁酸盐衍生物甲硫氨酰丁酸盐水平显著降低。色度法检测证实，DIHF-HS组血清丁酸盐浓度以及评估丁酸盐产生潜力的厚壁菌门/拟杆菌门（Firmicutes/Bacteroidota）比值均显著低于DIHF-LS组和对照组。KEGG通路富集分析表明，DIHF-HS组的代谢变化显著富集于脂质代谢相关通路，如甘油磷脂代谢、初级和次级胆汁酸生物合成、脂肪消化与吸收等，提示DIHF-HS状态下存在严重的脂质代谢紊乱。
3. 丁酸钠在体外和体内保护心肌细胞并改善DIHF
体外实验表明，丁酸钠（NaB）能浓度依赖性地逆转DOX或Erastin诱导的H9C2和AC16心肌细胞活力下降，降低活性氧（ROS）水平和细胞死亡率。在体内实验中，研究人员确定了1%（w/w）的NaB饮水补充为有效且耐受性良好的干预剂量。结果显示，与DOX+NaCl对照组相比，DOX+NaB组大鼠的LVEF和LVFS下降得到显著缓解，心脏组织纤维化程度减轻，且血清丁酸盐浓度与LVEF下降率呈负相关。NaB补充未增加肝、肾等器官的毒性。这表明NaB能有效减轻DOX引起的心肌细胞毒性和心脏功能损伤。
4. 丁酸钠减轻DIHF大鼠肠道菌群失调并降低血清总胆固醇水平
NaB干预显著改善了DOX引起的肠道菌群失调。16S rRNA测序分析显示，DOX+NaB组肠道菌群的α多样性和菌群组成均优于DOX+NaCl组，MDI显著降低。线性判别分析（LDA）提示NaB补充富集了多种益生菌属。PICRUSt2功能预测分析显示，NaB增强了与DNA修复、重组以及胆汁酸生物合成相关的菌群功能。血清非靶向代谢组学发现NaB提高了3-羟基丁酸等有益代谢物水平，并降低了次级胆汁酸水平。更重要的是，NaB补充显著降低了血清总胆固醇（TC）浓度，表明其对脂质代谢具有积极的调节作用。
5. 丁酸钠通过增强结肠和心脏组织屏障功能减少细菌易位至心脏
NaB通过多途径强化肠道物理屏障。组织学检查显示，NaB减轻了DOX引起的结肠组织病理损伤。免疫荧光染色发现，NaB显著上调了结肠紧密连接蛋白ZO-1和Claudin-1的表达。阿尔新蓝-过碘酸雪夫（AB-PAS）染色和qRT-PCR结果进一步表明，NaB增加了结肠杯状细胞数量及其分泌的黏蛋白Muc2和三叶因子Tff3的mRNA水平。这些变化共同增强了肠道屏障功能，减少了"肠漏"。相应地，DOX+NaB组大鼠血清和心脏组织中的脂多糖（LPS）浓度以及心脏组织中通过FISH检测到的细菌信号均显著降低。相关性分析证实心脏细菌数量与心功能损伤程度正相关。同时，NaB也增强了心脏组织的屏障功能，其连接蛋白Connexin-43和N-cadherin的表达上调。这表明NaB通过加固"肠道"和"心脏"两道防线，有效减少了菌群及其产物易位至心脏。
6. 丁酸钠显著改变心脏细菌组成和功能，导致Fe2+水平降低有利于抑制铁死亡
对心脏组织菌群的5R 16S rRNA测序发现，NaB补充显著改变了心脏驻留菌群的组成，降低了从肠道易位而来的菌群相对丰度。PICRUSt2 PFAM分析预测，NaB干预增强了心脏菌群与细菌抗毒素系统、GPX/谷胱甘肽（GPX/GSH）以及铁代谢相关的功能。特别值得注意的是，心脏组织铁染色显示，DOX+NaB组心肌内的Fe2+水平显著低于DOX+NaCl组。铁是铁死亡的关键诱发因素，这一结果为NaB抑制铁死亡提供了初步证据。
7. 丁酸钠通过GPX4/谷胱甘肽通路抑制DIHF大鼠心肌细胞铁死亡
机制研究的最终焦点集中在铁死亡上。Western blot结果表明，在DOX或Erastin处理的H9C2心肌细胞中，NaB能显著上调铁死亡关键抑制蛋白GPX4的表达。在动物心脏组织中，DOX+NaB组的GPX4蛋白水平也显著高于对照组。同时，NaB提高了心脏组织的谷胱甘肽（GSH）水平，并降低了脂质过氧化终产物丙二醛（MDA）的含量。铁死亡会引发炎症级联反应，qRT-PCR检测发现，NaB干预降低了心脏促炎细胞因子IL-1β和IL-6的mRNA水平，同时升高了抗炎细胞因子IL-10和TGF-β的水平。这些结果充分证明，NaB通过激活GPX4/GSH这一核心抗氧化通路，抑制了DOX诱导的心肌细胞铁死亡及相关的炎症反应，从而保护心脏。
结论与讨论
本研究系统阐明了丁酸盐通过"微生物/代谢物-肠-心轴" ameliorate DIHF的全新机制。研究首先确认了肠道菌群及其代谢产物丁酸盐在DIHF易感性中的决定性作用，并通过FMT验证了其因果关系。NaB补充不仅能优化肠道菌群结构、改善菌群功能、降低胆固醇，还能通过增强肠道和心脏屏障，减少细菌和LPS易位至心脏。尤为重要的是，本研究首次在DOX处理的心脏组织中鉴定出驻留细菌，并发现NaB通过改变心脏局部菌群组成和功能，降低心肌铁含量，进而抑制铁死亡。最终，研究在体外和体内均证实NaB通过上调GPX4/GSH通路抑制心肌细胞铁死亡。
该研究的发现具有重要的科学意义和临床转化价值。它突破了传统上主要关注心脏本身的研究局限，将视角延伸至肠道微环境，揭示了肠-心轴在化疗心脏毒性中的关键媒介作用。丁酸盐作为一种安全的膳食补充剂和菌群代谢产物，其心脏保护作用的明确为DIHF的防治提供了极具潜力的新策略。目前已有超过80项关于丁酸盐的临床试验注册，其在肿瘤治疗相关并发症中的应用也显示出良好前景。本研究为将丁酸盐或靶向丁酸盐产生菌的干预策略（如益生菌、益生元、特定饮食）应用于临床 cardio-oncology 实践，以减轻化疗心脏毒性、改善肿瘤患者预后，奠定了坚实的理论基础。
